Lidt af et kvantemagic trick - eksperiment viser, hvordan man kan fremskynde frekvensmåling

Et præcist analogt ur-tik-tik-ticks med en konstant præcision og velkendt frekvens:et kryds i sekundet. Jo længere du lader det krydse, jo bedre at teste dens nøjagtighed-10 gange så lang tid svarer til en ti gange forbedring af enhver frekvensusikkerhed. Men er der en hurtigere måde at bestemme en frekvens på?

Det viser sig, at der er i en ny opdagelse offentliggjort i denne uge i Fysisk gennemgangsbreve ved et samarbejde mellem et Washington University i St. Louis professor og kandidatstuderende sammen med en University of Rochester -forsker.

Hastigheden i frekvensmåling kommer fra kvantemekanik. Når en kvantebit bruges til at måle frekvensen af ​​et signal, kvantemekanikkens mærkelige regler gør det muligt at måle frekvensen meget mere præcist. Teknikken afhænger af evnen til at sætte kvantebiten i en superposition af dens to kvantetilstande, og skift derefter disse tilstande i takt med signalet.

Kater Murch, adjunkt i fysik i kunst og videnskab, sammen med kandidatstuderende Mahdi Naghiloo og teorisamarbejder Andrew Jordan fra Rochester beskrev teknikken som et "kvantemagisk trick".

"Det minder om de magiske tricks, der involverer en bold placeret under en af ​​to kopper, og kopperne blandes rundt - undtagen denne gang, bolden kan være under begge kopper på samme tid, "Sagde Murch." Den resulterende hastighed i frekvensmåling er forbløffende. Nu, ved at måle 10 gange så længe, frekvensusikkerheden kan reduceres med en faktor 100 - hvilket muliggør forbedret opløsning af frekvensen ud over enhver anden teknik af slagsen. Tidligere teoriarbejde udgivet af Jordan -gruppen i år har i to separate artikler bevist, at den teknik, der anvendes i dette papir, er det teoretiske optimalt, som kvantemekanikken tillader. "

Eksperimentet blev afsluttet ved hjælp af et superledende kvantesystem, hvor et eksternt oscillerende signal med ukendt frekvens fik kvantesystemet til at undergå periodiske ændringer. Ved at anvende kvanteimpulser oven på det oscillerende signal, systemets tilstand kunne kontrolleres, så den endelige aflæsning af kvantesystemet blev meget følsom over for den præcise værdi af svingningsfrekvensen. Den underliggende fysiske kilde til fordelen hænger sammen med, at kvantesystemets energi er tidsafhængig, hvilket får kvantetilstandene, der svarer til forskellige frekvenser, til at accelerere væk fra hinanden, giver øget sondring på en given tid.

Denne metode tillod forbedret opløsning af frekvensen ud over enhver anden teknik af sin art, Sagde Jordan.

Dette værk er blot et eksempel på, hvordan det nye område af kvanteteknologier bruger kvantefysikkens love til teknologisk fordel i forhold til klassisk fysik, Sagde Jordan. Andre eksempler omfatter kvanteberegning, kvantefølelse og kvantesimulering. For disse felter, udnyttelsen af ​​kvantefysik giver fordele såsom en fremskyndelse af databasesøgning, factoring af store tal eller hurtig simulering af komplekse molekyler.

En sådan finskala måling af frekvensen af ​​et periodisk signal er den grundlæggende ingrediens i forskellige applikationer, herunder medicinsk billeddannelsesudstyr, analyse af lys udsendt fra stjerner og, selvfølgelig, urets præcision. At accelerere disse målinger på en måde, som Murch og Jordan har demonstreret, kan have dybtgående virkninger på mange områder.

Murch og Naghiloo brugte tidtagning og GPS, og sådanne konstant avancerede teknologier, som eksempler på vigtigheden af ​​deres fund.

"I dag, de fleste af os har en telefon i lommen, der er i stand til at fortælle os næsten præcis, hvor vi er på jorden ved hjælp af det globale positioneringssystem, "Murch sagde." Sådan fungerer det, at din telefon modtager signaler fra flere forskellige satellitter, og ved at timing den relative ankomst af disse signaler indleder det din position. Tidens nøjagtighed vedrører direkte nøjagtigheden af ​​din position - et forhold mellem tidtagning og navigation, der har vedvaret i hundredvis af år.

"Godt før GPS, en sømand, der ville vide sin placering, ville navigere efter stjernerne. På den nordlige halvkugle, nordstjernens højde vil fortælle dig din breddegrad, men for at kende din længdegrad, du skal holde styr på tiden. Som natten går på, stjernerne cirkler rundt om nordstjernen - højden af ​​enhver stjerne over horisonten er relateret til den lokale tid, og ved at sammenligne denne tid med et ur sat til Greenwich Mean Time, tidsforskellen giver din længdegrad. "

Nautisk tidtagning understreger vitaliteten i frekvensfremskridt.

"I 1700'erne, nøjagtige ure var den største begrænsning for havnavigation, "Sagde Murch." Scilly -marinekatastrofen i 1707 - en af ​​de værste katastrofer i britisk flådehistorie - blev bredt skylden for dårlig navigation, får den britiske regering til at investere stort i præcise ure. De resulterende kronometre transformerede marinefart og fremskyndede i høj grad opdagelsesalderen.

"Fremskridt inden for tidtagning har fortsat stor indflydelse på teknologi og grundvidenskab. Kvanteværktøjer, såsom den kvantehastighed i frekvensmåling, som vi opdagede, er nødvendige for at skubbe disse teknologier fremad. Dette er en spændende tid for kvantefysik, fordi disse kvanteressourcer i stigende grad fører til praktiske fordele i forhold til traditionelle målemetoder. "